CN109599246A - 一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，包括控制单元、RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块；RS232转换电路接收上位机信号对比例阀控制器的参数进行设置；信号调理电路接收外部电压指令信号，并采集比例阀阀芯的位移量和电磁铁的电流量，通过控制单元的比例阀位置环和电流环的两环闭环控制算法生成PWM控制信号；功率驱动电路用于接收控制单元发出的PWM指令信号，对PWM信号进行功率放大，按要求驱动比例电磁铁。本发明具有经济性高、精度高、频响快、可靠性好、适用范围广等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电液控制领域，特别是一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器。
背景技术
比例阀控制器是比例阀的“大脑”，具有调度控制、功率驱动、信号处理等功能，其性能优劣直接影响整个系统的控制性能。比例控制系统的控制性能接近伺服系统，流量大、抗污染性强、可靠性和经济性高，在国内的应用需求越来越大。我国在高端比例阀控制器的研究方面处于起步阶段，在控制性能、可靠性等方面与国外同类产品比较还存在较大的差距，目前国内高端比例阀控制器市场基本被国外知名液压元器件企业垄断。
受比例阀控制系统小型化、集成化、网络化、智能化的发展趋势影响，市场对比例阀控制器的要求越来越高，提高比例阀控制器的性能成为研究重点。目前，国内市场上使用的国产比例阀产品配套的控制器普遍存在响应速度不高、一致性不好、寿命不长等情况。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，包括RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块和控制单元；所述RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块均与控制单元连接；RS232转换电路接收上位机信号对比例阀控制器的参数进行设置；信号调理电路接收外部电压指令信号，并采集比例阀阀芯的位移量和电磁铁的电流量，通过控制单元的比例阀位置环和电流环的两环闭环控制算法生成PWM控制信号；功率驱动电路用于接收控制单元发出的PWM指令信号，对PWM信号进行功率放大，驱动比例电磁铁。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明经济性高、精度高、频响快、可靠性好、适用范围广，高端比例阀控制器的研制，可实现高精度的电液比例阀控制，结束国外厂家在高端电液比例控制方面的垄断局面，促进国内电液比例控制行业的发展。
附图说明
图1为比例阀控制器组成框图。
图2为比例阀控制器工作原理框图。
图3为反接卸荷式功率驱动示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，包括RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块和控制单元；所述RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块均与控制单元连接；RS232转换电路接收上位机信号对比例阀控制器的参数进行设置；信号调理电路接收外部电压指令信号，并采集比例阀阀芯的位移量和电磁铁的电流量，通过控制单元的比例阀位置环和电流环的两环闭环控制算法生成PWM控制信号；功率驱动电路用于接收控制单元发出的PWM指令信号，对PWM信号进行功率放大，驱动比例电磁铁。
控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机。
RS232转换电路选用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连，芯片供电+3.0V～+5.5V。
信号调理电路用于将需要采集的模拟信号转换至控制单元要求范围。
电源转换电路用于将24V电源转换为±15V电源、+5V电源。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，包括RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块和控制单元；
比例阀控制器选用以dsPIC30f3013为控制核心、集成驱动芯片IR2301和MOS管为功率回路的方案。控制电路通过信号调理电路接收外部电压指令信号，并通过反馈电位器和电流检测调理电路分别采集比例阀阀芯的位移量和电磁铁的电流量，通过控制单元的比例阀位置环和电流环的两环闭环控制算法生成PWM控制信号；功率驱动电路用于接收控制单元发出的PWM指令信号，对PWM信号进行功率放大，按要求驱动比例电磁铁，功率转换电路依据驱动信号对MOS管的导通进行控制，控制电磁铁的通过电流大小，电磁铁将带动比例阀阀芯运动，工作原理见附图2所示。
(1)控制单元
控制单元芯片的选用直接影响到整个控制器的性能，主要完成通讯、控制算法计算、数字信号处理以及控制电路各子模块的工作，根据技术要求及控制单元性能要求，控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机，该芯片集成了单片机的控制功能和DSP的快速计算功能的芯片，采用5V供电，增强了抗噪性和稳键性，适用于各种恶劣环境。控制器外围电路图主要包括供电电路、复位电路、时钟电路组成。给系统设计一个上电复位电路，电路接入单片机的MCLR引脚，选用外部有源晶振为单片机提供时钟电路。
(2)RS232转换电路
上位机需要通过RS232总线与控制器进行通讯，实现参数的设置，选用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连，芯片供电+3.0V～+5.5V，工作温度0℃～+70℃。
(3)信号调理电路
在比例阀控制中，输入信号为0～±10V，外置阀芯位置传感器反馈信号为4～20mA，同时通过电磁铁的电流也要检测采集，而控制单元的模拟量输入电压要求不大于+5V，因此需要信号调理电路将需要采集的模拟信号转换至合适范围后，输入到控制单元进行运算处理。
为保证减少输入信号的共模干扰，输入信号将采用差分输入，同时采用滤波电路减少噪音的影响，此功能选用常规的运算控制器，考虑到电路板体积选用四运放。滤波后的信号再通过信号调理电路，调理到控制单元可接收的电压范围后，再输入控制单元进行运算处理，拟采用控制器LM2902D芯片，采用单端供电+5V，保证输入到控制单元的信号不为负值，对控制单元的输入接口也起到保护作用。
(4)功率驱动电路
功率驱动是比例阀控制器的核心部分，直接影响比例阀控制器的稳态、动态性能，以及工作可靠性。比例阀控制器要求功率驱动满足以下条件：可输出足够大的电流驱动比例电磁铁的线圈；具有良好的静、动态特性；输出的控制电流足够稳定，能抵抗温度及电源电压变化等干扰。
开关式功率驱动的电路实现形式大多采用“单管调制式”功率驱动和“反接卸荷式”功率驱动，如图3所示。“单管调制式”功率驱动结构所需电子元件较少，控制简单，但动态频响较低；为保证控制器的动态性能，采用了“反接卸荷式”功率驱动形式，“反接卸荷式”功率驱动通过对Ql、Q2进行同步PWM调制实现比例电磁铁线圈电流控制，加快了电流下降的速度，但功率元件数量为“单管调制式”功率驱动的两倍，且两管同步通断时冲击电流大，纹波电流幅值较大，采用提高开关频率的方式降低纹波。
(5)电源转换电路
电源转换电路是整个硬件正常运行的保证，是整个硬件设计的重点之一。整个比例阀控制器系统由24V供电，分别需要产生以下电源：
1)±15V电源，为内部调理电路提供电源；
2)+15V电源，为MOS管驱动芯片提供电源，选用广州金升阳公司的工业级DC/DC电源模块VRA_YMD-6WR3实现+24V到±15V的转换；
3)+5V电源，为RS232芯片及内部调理电路提供直流电源，选用广州金升阳公司的工业级DC/DC电源模块F2405XT-2WR2实现+24V到+5V的转换，该模块外围连接器件少，效率高达84％；
3)高压驱动电路，为电磁铁提供24V的高压引导电源，直接取用外部供电；
4)+24V，为阀芯反馈传感器提供24V的直流电源，通过将外部供电滤波后取用。
(6)输入输出接口模块
1)控制器程序下载JTAG接口连接器为6脚排针；
2)控制器RS232总线通讯接口连接器为4脚牛角座；
3)控制器与位移传感器接口连接器为4脚牛角座；
4)控制器与比例电磁铁接口连接器为2脚牛角座；
5)控制器与外部信号接口连接器为10脚牛角座。
本发明的闭环数字比例阀控制器是比例阀的核心部分，能够取代传统的模拟式比例阀控制器。其工作原理为：首先，通过RS232总线通讯接收上位机信号对比例阀控制器的PID参数进行设置。然后，接收外部指令信号(0～±10V)对比例阀电磁铁进行控制，使比例阀阀芯动作，同时采集阀芯位置反馈信号(4～20mA)，使比例阀阀芯按照控制指令运动至要求的位置。控制器的输入端为外部控制信号与比例阀的位置反馈信号，通过控制单元算法输出PWM信号作用到比例阀的电磁铁，通过电—液转换实现比例阀的位置闭环控制，本发明搭配使用的比例阀最高动态可达60Hz。
Claims (5)
1.一种基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，其特征在于，包括RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块和控制单元；所述RS232转换电路、信号调理电路、功率驱动电路、电源转换电路、输入输出接口模块均与控制单元连接；RS232转换电路接收上位机信号对比例阀控制器的参数进行设置；信号调理电路接收外部电压指令信号，并采集比例阀阀芯的位移量和电磁铁的电流量，通过控制单元的比例阀位置环和电流环的两环闭环控制算法生成PWM控制信号；功率驱动电路用于接收控制单元发出的PWM指令信号，对PWM信号进行功率放大，驱动比例电磁铁。
2.根据权利要求1所述的基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，其特征在于，控制单元芯片采用Microchip公司的dspic30F3013型号单片机。
3.根据权利要求1所述的基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，其特征在于，RS232转换电路选用SIPEX公司的RS232协议芯片SP3232EE，SP3232EE芯片的T1IN、R1OUT引脚与控制单元的U1ATX、U1ART相连。
4.根据权利要求1所述的基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，其特征在于，信号调理电路用于将需要采集的模拟信号转换至控制单元要求范围。
5.根据权利要求1所述的基于电流自适应的单电磁铁比例阀控制器，其特征在于，电源转换电路用于将24V电源转换为±15V电源、+5V电源。
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